Đồ án môn học kết cấu thép thiết kế nhà công nghiệp một nhịp một tầng

Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứngvà lực hãm ngang, xác định nh sau: *áp lực đứng của cầu trục: + Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cộtt

Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, với các số liệu sau:

- Xà ngang tiết diện thay đổi (chữ I)

- Số lợng cầu trục: 2 (chiếc)

- Sức nâng của cầu trục: Q (T)

- NhÞp cÇu trôc:

- Dùa vµo søc trôc Q = 6,3T vµ nhÞp cÇu trôc LK = 22,5(m) ta cãb¶ng th«ng sè cÇu trôc lÊy theo phô lôc II.13 – trang 87 (ThiÕt kÕkhung thÐp nhµ c«ng nghiÖp mét tÇng, mét nhÞp – Trêng §¹i häcKiÕn tróc Hµ néi):

Träng lîng(T)

¸p lùc b¸nh

xe lªn ray (kN)

c Pminc

6,3 22,

5

810

160

3880

3200

- Lấy chiều cao ray và lớp đệm, bụng C gia cờng lấy sơ bộkhoảng:

2 Các kích th ớc chính của khung ngang

a Theo phơng đứng

- Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang:

Với: HK = 0,81 m – chiều cao gabarit của cầu trục

bK = 0,3 m – khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang

Chọn H2 = 1,2 (m)

- Chiều cao cột khung tính từ mặt móng đến đáy xà ngang:

Trong đó: H1 - cao trình đỉnh ray, H1 = 7,4 m;

- Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:

750 24000

móng( cốt 0.000) Liên kết giữa cột với xà ngang và liên kết tại

đỉnh xà ngang là cứng Trục cột khung trùng với trục định vị để

đơn giản hoá tính toán và thiên về an toàn.Ta có sơ đồ tính khungngang nh hình 3

3 Thiết kế xà gồ mái

Xà gồ mái chịu tác dụng của tải trọng tấm mái và trọng lợng bảnthân của xà gồ Lớp mái và xà gồ đợc chọn trớc Sau đó đợc kiểm tralại theo điều kiện bền và điều kiện biến dạng của xà gồ

* Tấm lợp mái: Chọn nh sau:

30

10 15

Diện tích1tấm (m2)C10 - 1000 –

0,6

- H×nh d¹ng vµ c¸c th«ng sè cña xµ gå ch÷ “ C “:C¸c th«ng sè kÜ thuËt:

TiÕt

diÖn

Ix(cm4)

Wx(cm3)

Iy(cm4)

Wy(cm3)

Träng lîng(kN/m)

ChiÒudµy(mm)

DiÖntÝch(cm2)8CS4 5

9

324,24

*Tải trọng tác dụng lên xà gồ

b Kiểm tra lại xà gồ đã chọn

Xà gồ dới tác dụng của tải trọng lớp mái và hoạt tải sửa chữa đợc tính toán nh cấu kiện chịu uốn xiên

Ta phân tải trọng tác dụng lên xà gồ C tác dụng theo 2 phơng với trục x-x tạo với phơng ngang một góc  = 5,71o

Mặt cắt xà gồ

 q

q

y

y

x x

y

y

x x

y

q x



Tải trọng tác dụng theo các phơng x-x và y-y là:

- Theo điều kiện bền:

Với: c = 1 hệ số điều kiện làm việc

- cờng độ của thép xà gồ

Xà gồ tính toán theo 2 phơng đều là dầm đơn giản 2 đầu tựa lên xà ngang mô men đạt giá trị lớn nhất ở giữa nhịp.

Ta có:

- Theo điều kiện biến dạng:

Công thức kiểm tra :

Trong đó: - Độ võng của xà gồ ( khi có hệ giằng xà gồ )

y – Các độ võng thành phần do gây ra tơng ứng

Vậy xà gồ đảm bảo điều kiện cờng độ và điều

*Tác dụng của hệ giằng trong nhà công nghiệp dùng kết cấu

- Truyền tải trọng gió và lực hãm cầu trục theo phơng dọc nhà xuống móng

- Bảo đảm cho việc thi công dựng lắp đợc an toàn và thuận tiện

a Tác dụng của các hệ giằng

- Giằng cột :

+ Bảo đảm sự bất biến hình học

+ Bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột

+ Tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phơng dọc nhà nh tải trọng gió lên tờng hồi, lực hãm dọc nhà của cầutrục

b Cách bố trí hệ giằng

5 Tải trọng tác dụng lên khung ngang

a Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)

- Độ dốc mái i = 10%   = 5.71

- Tải trọng thờng xuyên tác dụng lên khung ngang bao gồm trọng ợng các lớp mái, trọng lợng bản thân xà gồ, trọng lợng bản thân khungngang và dầm cầu trục

l Trọng lợng bản thân các tấm lợp, lớp cách nhiệt và xà gồ mái lấybằng 0.15(kN/m2)

- Trọng lợng bản thân xà ngang

Tổng tĩnh tải phân bố tác dụng lên xà ngang:

- Trọng lợng bản thân tôn tờng và xà gồ tờng lấy sơ bộ là

Quy thành tải tập trung đặt tại đỉnh cột (bỏ qua mô men lệchtâm):

n.g.B.H=

- Trọng lợng bản thân dầm cầu trục, ray và các lớp đệm: Tải này tác dụng lên vai cột, khi tính toán ta đa về tim cột dới dạng 1 lực tập trung và 1 mômen

Sơ bộ chọn

b Hoạt tải mái

+ Theo TCVN 2737-1995 , trị số tiêu chuẩn của hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái( mái lợp tôn) là ptc = 0,3kN/m2, hệ số vợt tải là n =1,3

+ Quy đổi về tải trọng phân bố đều trên xà ngang:

c.Tải trọng gió tác dụng lên khung

+ Tải trọng gió gồm hai thành phần: phần tĩnh và phần động Vớinhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp có chiều cao < 36 m và tỉ số

nên bỏ qua thành phần động của tải trọng gió

+ Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang gồm: gió tác dụng vàocột và gió tác dụng trên mái Theo TCVN 2737- 1995

+ Giá trị tính toán của thành phần tĩnh của tải trọng gió ở độcao z so với mốc tiêu chuẩn tác dụng lên 1m2 bề mặt thẳng đứngxác định theo công thức:

do cụng trỡnh thuộc vựng giú I-A ớt ảnh hưởng của giú bóo nờn giỏ trị ỏp lực tiờuchuẩn được giảm 0,1 kN/m2

suy ra W0= 0,55 (kN/m2)

c - là hệ số khí động: c = +0,8 với phía gió đẩy

k: Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo chiều cao, phụthuộc vào dạng địa hình.Với

dạng địa hình B, hệ số k đợc xác định:

+ Mức đỉnh cột, cao trình 8,6 m

+ Mức đỉnh mái, cao trình 9,8 m

Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở xuống chân cột hệ số

k lấy theo : Hệ số quy đổi xét đến sự phân bố áp lực gió, hệ số đợc xác định:

Phần tải trọng gió tác dụng từ đỉnh cột trở lên đỉnh mái hệ số k lấy:

Tải trọng gió tác dụng lên khung ngang đợc tính nh sau:

Vì  ce3 = - 0,5

Tải trọng gió tác dụng lên cột

+ Phía đón gió:

+ Phía khuất gió:

Tải trọng tác dụng trên mái:

+ Phía đón gió:

+ Phía khuất gió:

d Hoạt tải cầu trục

Tải trọng cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng

và lực hãm ngang, xác định nh sau:

*áp lực đứng của cầu trục:

+ Tải trọng thẳng đứng của bánh xe cầu trục tác dụng lên cộtthông qua dầm cầu trục đợc xác định bằng cách dùng đờng ảnh h-ởng phản lực gối tựa của dầm và xếp các bánh xe của 2 cầu trục sátnhau vào vị trí bất lợi nhất, xác định đợc các tung độ yi của đờng

ảnh hởng, từ đó xác định đợc áp lực thẳng đứng lớn nhất và nhỏnhất của bánh xe cầu trục lên cột:

+ Các lực Dmax và Dmin thông qua ray và dầm cầu trục sẽ truyền vàovai cột, do đó sẽ lệch tâm so với trục cột 1 khoảng là

+ Trị số của các mômen lệch tâm tơng ứng:

* Lực hãm ngang của cầu trục:

+ Lực hãm ngang T của cầu trục tác dụng vào cột khung thông quadầm hãm xác định theo công thức:

Trong đó: p = 1,1 – hệ số vợt tải;

T1 – Lực hãm ngang tiêu chuẩn của 1 bánh xe cầu trục:

T1 = T0/n0 T0 – Lực hãm ngang của toàn bộ cầu trục;

T0 = 0,5kf(Q + Gxc);

Gxc – trọng lợng tiêu chuẩn của xe con

kf = 0,1 – hệ số ma sát với cầu trục có móc mềm

)+ Lực hãm ngang của toàn cầu trục truyền lên cột đặt vào caotrình dầm hãm (giả thiết cách mặt trên vai cột 1 đoạn y = 0,7 m)

6 Xác định nội lực

Nội lực trong khung ngang đợc xác định với từng trờng hợp chất tảibằng phần mềm SAP 2000 Kết quả tính toán đợc thể hiện dới dạngbiểu đồ và bảng thống kê nội lực Dấu của nội lực lấy theo quy địnhchung trong sức bền vật liệu

Quy ớ c chiều d ơng của nội l ực theo SBVL

Gi¶ thiÕt tiÕt diÖn:

- Ph¬ng ¸n 5,6: Ho¹t t¶i do giã tr¸i, ph¶i

- Ph¬ng ¸n 7: Ho¹t t¶i do Dmax tr¸i

- Ph¬ng ¸n 8: Ho¹t t¶i do Dmax ph¶i

- Ph¬ng ¸n 9: Ho¹t t¶i do lùc h·m ngang cÇu trôc lªn cét tr¸i

c Biểu đồ nội lực của các ph ơng án chất tải:

Tĩnh tải

Ho¹t t¶i nöa m¸i ph¶i :

Ho¹t t¶i c¶ m¸i

Giã tr¸i

Giãph¶i

Ho¹t t¶i do D max tr¸i

Ho¹t t¶i do D max ph¶i

Lùc h·m lªn cét tr¸i

Lùc h·m lªn cét ph¶i

d

Thiết kế tiết diện cột

*Xác địnhchiều dài tính toán:

+ Chọn phơng án cột tiết diện không đổi Với tỷ số độ cứng của

Chiều dài tớnh toỏn của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung (ly) lấy bằng

khoảng cỏch giữa cỏc điểm cố định khụng cho cột chuyển vị theo phương dọc nhà (dầmcầu trục, giằng cột, xà ngang ) Giả thiết bố trớ giằng cột dọc nhà bằng hỡnh chữ C tại cao trỡnh +3,3 m, nờn ly =3,3m

*Chọn và kiểm tra tiết diện: Từ bảng tổ hợp nội lực chọn ra

cặp nội lực tính toán:

( chõn cột )

+ Đây là cặp nội lực tại tiết diện đỉnh cột, trong tổ hợp nội lực

do các trờng hợp tải trọng 1,4,6,8,9 gây ra

+ Mômen chống uốn cần thiết của tiết diện xà:

+ Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh xà ngang:

+ Theo các yêu cầu cấu tạo và ổn định cục bộ, chọn kích thớc tiết diện của bản cánh là:

+ §Æc trng h×nh häc cña tiÕt diÖn:

+ M«men qu¸n tÝnh cña tiÕt diÖn:

+ M«men chèng uèn:

(kN/cm )< =23(kN/cm )

Để kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng khung cần tính trị

số mômen ở 1/3 chiều cao của cột dưới kể từ phía có mômen lớn hơn Vì cặp nội lựcdùng để tính toán cột là tại tiết dưới vai cột và do các trường hợp tải trọng (1,4, 7,9)gây ra nên trị số của mômen uốn tại tiết diện dưới chân cột tương ứng là:

M1 = -47,414+0,9.(-68,23+35,86-14,07-4,45)= -93,215 (kNm)

Vậy trị số của mômen tại 1/3 chiều cao cột dưới, kể từ tíêt diện vai cột:

Do đó:

Tính độ lệch tâm tương đối theo M’ :

Với y= 81,141 tra bảng IV.2 phụ lục, nội suy 2 chiều ta có y= 0,6897

Tính bđược xác định như đối với dầm: b phụ thuộc vào  1

Do vậy điều kiện ổn định tổng thể của cột theo phương ngoài mặt phẳng đượckiểm tra theo công thức:

Ta có:

 Không phải đặt vách cứng

Tuy nhiên , do vậy bản bụng cột bị mất ổn định cục bộ,coi như chỉ có phần bản bụng cột tiếp giáp với 2 bản cánh còn làm việc Bề rộng củaphần bụng cột này là:

Diện tích tiết diện cột không kể đến phần bản bụng bị mất ổn định cục bộ:

Vậy khụng cần kiểm tra lại cỏc điều kiện ổn định cục bộ

Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ kết quả tớnh toỏn bằng phần mềm SAP

2000 trong tổ hợp tĩnh tải và tải trọng giú trỏi tiểu chuẩn là

- Độ võng tơng đối của cột cho phép là:

Do đú:

.Vậy tiết diện đó chọn là đạt yờu cầu

E THIẾT KẾ TIẾT DIỆN XÀ NGANG

1 - Đoạn xà 4 m (đoạn xà tiết diện thay đổi)

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tớnh toỏn :

Do mx = 32,68 > 20  me=mx > 20 (vì  ≥ 1) nên tiết diện xà ngang được tính toán

và kiểm tra theo điều kiện bền :

(kN/cm2) < fc = 23 (kN/cm2)Tại tiết diện đầu xà có mômen và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra ứng suất

2-Đọan xà 8 m (tiết diện không đổi )

Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực tính toán :

M = 68,13kNm

Đây là cặp nội lực tại tiết diện cuối xà,trong tổ hợp nội lực do các trường hợp tảitrọng 1,4 gây ra.

Mômen chống uốn cần thiết của tiết diện xà ngang :

Các đặc trưng hình học của tiết diện :

Wx = 5896,74.2/25 = 471,74 (cm3)

vmf

- Xác định tiết diện vai cột:

- Xác định các đặc trng hình học của tiết diện:

* Kiểm tra bền, ổn định tiết diện dầm:

- Kiểm tra bền uốn:

- Kiểm tra chiều dày bản bụng chịu cắt:

- Vậy điều kiện bền đợc thoả mãn

- Kiểm tra ổn định cục bộ cánh nén dầm:

- Kiểm tra ổn định bản bụng dầm dới tác dụng của ứng suấtpháp:

* Tính liên kết dầm vai với cột:

- Vai và cột liên kết với nhau bằng đờng hàn góc, đờng hàn chịu

đồng thời M và V

- Chiều cao đờng hàn phải thoả mãn điều kiện cấu tạo:

Chọn sơ bộ chiều cao đờng hàn:

Kiểm tra liên kết hàn chịu M, V theo công thức:

- Vậy chiều cao đờng hàn đủ khả năng chịu lực.

- Kích thớc của cặp sờn gia cờng cho bản bụng dầm vai:

chọn c1 = 6(cm)

- Chiều dài của bản đế xác định từ điều kiện chịu ép cục

Theo cấu tạo và khoảng cách bố trí bulông neo, chiều dài của bản

đế với giả thiết

c2= 10,2 (cm) và bề dày của dầm đế là tdd = 0,8(cm):

Tính lại ứng suất phản lực của bêtông móng phía dới bản đế:

- Bề dày của bản đế chân cột đợc xác định từ điều kiện chịu uốn của bản đế do ứng suất phản lực trong bêtông móng Xét các ô bản đế:

- Lực truyền vào một dầm đế do ứng suất phản lực của bê tông móng:

- Theo cấu tạo, chọn chiều cao đờng hàn liên kết dầm đế vào cột

là hf = 0,6cm Từ đó xác định đợc chiều dài tính toán của 1 đờng hàn liên kết dầm đế vào cột:

Chọn hdd = 30 (cm)

*Tính toán sờn A:

qs

ls

Ms

Vs

- Sơ đồ tính sờn là dầm công-xôn ngàm vào bản bụng cột bằng 2

đờng hàn liên kết Ta có:

- Chọn bề dày sờn ts = 0,8cm Chiều cao của sờn xác định sơ bộ từ điều kiện chịu uốn:

Chọn hs = 20 (cm) - Kiểm tra lại tiết diện sờn đã chọn theo ứng suất tơng đơng: - Theo cấu tạo, chọn chiều cao đờng hàn liên kết sờn A vào bản bụng cột hf = 0,6 (cm)

- Diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đờng hàn này là:

- Chọn bề dày sờn ts = 0,8cm Chiều cao của sờn xác định sơ bộ

từ điều kiện chịu uốn:

Chọn hs = 25 (cm)

- Kiểm tra lại tiết diện sờn đã chọn theo ứng suất tơng đơng:

- Diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đờng hàn này là:

Khả năng chịu lực của các đờng hàn này đợc kiểm tra theo công thức:

*Tính toán bulông neo:

- Từ bảng tổ hợp nội lực chọn cặp nội lực ở chân cột gây kéo

nhiều nhất cho các bu lông neo:

- Đây là cặp nội lực trong tổ hợp nội lực do các trờng hợp tải trọng 1,4,6,8,9 gây ra

- Chiều dài vùng bêtông chịu nén dới bản đế là c = 32,62 (cm) Chọn khoảng cách từ mép biên bản đế chân cột đến tâm bulông neo là 6(cm), xác định đợc:

- Tổng lực kéo trong các bu lông neo ở một phía chân cột xác

định theo công thức:

- Chọn loại bu lông neo chế tạo từ thép hợp kim thấp mác 09Mn2Si, tra bảng phụ lục I.10 trang 79 (Thiết kế khung thép nhà công

nghiệp một tầng, một nhịp – Trờng Đại học Kiến trúc Hà nội) có fba =

190 N/mm2 = 19 kN/cm2 Diện tích tiết diện cần thiết của một

bulông neo:

Chọn bulông 30 có Abn = 5,6 cm2 (bảng phụ lục II.2 trang 86

(Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp – Trờng

Đại học Kiến trúc Hà nội))

- Tính toán lại tổng lực kéo trong thân các bulông neo ở một phíachân cột theo công thức:

Cấu tạo chân cột

*Tính toán các đờng hàn liên kết cột vào bản đế:

- Các đờng hàn liên kết tiết diện cột vào bản đế đợc tính toán

trên quan niệm mômen và lực dọc do các đờng hàn ở bản cánh chịu,còn lực cắt do các đờng hàn ở bản bụng chịu.Nội lực để tính toán

đờng hàn chọn trong bảng tổ hợp nội lực chính là cặp đã dùng để tính toán các bulông neo.Các cặp khác không nguy hiểm bằng

- Lực kéo trong bản cánh cột do mômen và lực dọc phân vào:

- Tổng chiều dài tính toán của các đờng hàn liên kết ở một bản cánh cột (kể cả các đờng hàn liên kết dầm đế vào bản đế):

- Chiều cao cần thiết của các đờng hàn liên kết ở bản cánh cột:

- Chiều cao cần thiết của các đờng hàn liên kết ở bản bụng cột:

- Kết hợp yêu cầu cấu tạo, chọn hf = 0,7 (cm) Cấu tạo chân cột đợcthể hiện nh hình vẽ

III Liên kết cột với xà ngang:

- Cặp nội lực dùng để tính toán liên kết là cặp gây kéo nhiều nhất cho các bulông tại tiết diện đỉnh cột Từ bảng tổ hợp ta chọn

* Tính toán bulông liên kết:

- Chọn bulông cường độ cao cấp bền 8.8, đường kính dự kiến d

= 20 (mm) Bố trí bulông thành 2 dãy với khoảng cách giữa các

(ThiÕt kÕ khung thÐp nhµ c«ng nghiÖp mét tÇng, mét nhÞp – Trưêng

§¹i häc KiÕn tróc Hµ néi)

- PhÝa c¸nh ngoµi cña cét bè trÝ mét cÆp sưên gia cưêng cho mÆtbÝch, víi c¸c kÝch thưíc:

chuÈn cña vËt liÖu bul«ng ( với m¸c thÐp 40Cr )

A - diện tích tiết diện của thân bu lông,

= 1 do số bulông trong liên kết n =14 > 10

; - hệ số ma sát và hệ số độ tin cậy của liên kết với giả thiết là không gia công bề mặt cấu kiện nên

;

nf - số luợng mặt ma sát của liên kết nf = 1

Theo điều 6.2.5 TCXDVN 338-2005, trong trường hợp bu lông chịucắt và kéo đồng thời thì cần kiểm tra các điều kiện chịu cắt và chịu keo riêng biệt

Bố trí bulông trong liên kết cột với xà ngang

- Lực kéo tác dụng vào bulông ở dãy ngoài cùng do mômen và lực dọc phân vào (do mômen có dấu âm nên coi tâm quay trùng với dãy bulông phía trong cùng):